все записи



Дата: 06.12.2007
«Вестник строительного комплекса» № 50
Рубрика: ***

Высокопрочные бетоны в подземном строительстве


В настоящее время в строительстве высокопрочные бетоны используются достаточно редко. Основная причина этого в том, что вместо упрочнения материала, обычно, можно просто увеличить сечение конструкции или усилить ее армирование. Не менее важной причиной, до недавнего времени, было то, что стоимость высокопрочного бетона весьма существенно превышала стоимость обычного.
В настоящее время, когда наблюдается тенденция регулярного подорожания цемента (в среднем, до 100%
в год) и щебня (около 30% в год)
разница в стоимости между обычным бетоном и высокопрочным уже не так велика. Таким образом, на настоящий момент основным фактором, сдерживающим применение высокопрочных бетонов, является возможность увеличения сечения конструктивных элементов.

Существуют две области строительства, где увеличением сечения конструктивного элемента обойтись или почти невозможно, или весьма затруднительно. Это высотное и подземное строительство. В первом случае основным сдер-живающим фактором является вес конструкций, а во втором случае – объем, увеличение которого существенно снижает полезный объем сооружений.

Таким образом, высотное и подземное строительство, благодаря целому ряду своих особенностей, явно предрасположен к масштабному использованию высокопрочных бетонов.

В подземном строительстве прочность бетона является, без сомнения важным, но не определяющим фактором. Не менее важны его водонепроницаемость и долговечность, складывающиеся из стойкости
к сульфатной агрессии, стойкости
к выщелачиванию и еще целого ряда менее значащих факторов.

Высокопрочные бетоны, удовлетворяющие этим требованиям, разработаны и апробированы еще
в 90-х годах прошлого века. По международной классификации они отнесены к новому классу
«High Performance Concretes» (бетоны с высокими эксплуатационными свойствами). Эти бетоны значительно превосходят обычный бетон по прочности, являются практичес-ки водонепроницаемыми (W20
и выше), более стойки к сульфатной агрессии, чем бетон, приготовленный на специальном сульфатостойком цементе, а скорость выщелачивания из них гидроокиси кальция меньше на несколько порядков.

В зарубежном подземном строительстве такие бетоны уже давно успешно применяются. В качестве наиболее значимого  примера можно привести тоннель под Ла-Маншем. В России эти бетоны уже достаточно широко применяются
в высотном строительстве (небоскребы Москва-Сити), но пока очень медленно внедряются в подземное строительство.

В настоящее время в подземном строительстве широко применяются гидротехнические бетоны. Гид-ротехнический бетон, упрощенно, это обычный качественный бетон
с пластифицирующей добавкой. Бетоны с высокими эксплуатационными свойствами имеют в своем составе не только пластификатор, причем не обычный, а суперпластификатор, но и модифицирующую добавку, роль которой играет аморфный микрокремнезем.

Природный аморфный кремнезем (трепелы, туф, опока) входит в состав пуццолановых цементов, определяя их повышенную водостойкость. Аморфный микрокремнезем - это искусственный материал, являющийся побочным продуктом при производстве ферросплавов.
По сути, – это пыль аморфной двуокиси кремния, которая оседает на рукавных фильтрах в процессе выплавки нержавеющей стали.

Частицы аморфного микрокремнезема имеют форму, близкую
к сферической, и размеры от 0,05 до 0,5
мкм. Для сравнения, частица цемента имеет размер около 50 мкм. Сам аморфный микрокремнезем не является вяжущим веществом. Но при добавке его к цементу, в процессе гидратации, вступает в пуццоланическую реакцию с гидроокисью кальция, преобразуя ее в низкоосновные гидросиликаты тоберморитового ряда.

В обычном цементном камне примерно 40% объема занимает портландит – кристаллическая гидроокись кальция в виде крупных кристаллов, имеющая очень низкую прочность, растворимость 1,65 г/л
и твердость 2 (по Моосу).  В цементном камне, модифицированном аморфным микрокремнеземом, вместо портландита образуется низкоосновный тоберморитовый гель, являющийся наиболее прочным
и наименее растворимым компонентом.

Модификатор МБ-01 [1], разработанный д. т. н. С. С. Каприеловым на основе аморфного микрокремнезема и суперпластификатора С-3, выпускается в промышленных объемах с 1996 года. Добавка в бетон 15% этого модификатора (от расхода цемента) позволяет: в два раза увеличить прочность; во много раз – водонепроницаемость и морозостойкость; в несколько раз – сульфатостойкость и стойкость к различным видам агрессивных для бетона жидкостей.

Экономический аспект. Стоимость МБ-01 сейчас примерно
в 2 раза превышает стоимость цемента. Для того чтобы превратить обычный бетон в очень хороший, надо 10–20% МБ-01 от расхода цемента. Примерно столько же составит и удорожание бетона.

Таким образом, прочность цементного камня можно увеличить настолько, что она существенно превысит прочность гранитного щебня. При низких водоцементных отношениях прочность цементного камня, модифицированного добавкой МБ-01, может достигать
120 МПа.

До настоящего времени в качестве крупного заполнителя в тяжелых бетонах практически во всех случаях применяется гранитный щебень. Для обычного бетона его прочностные свойства являются вполне удовлетворительными, так как существенно превышают прочность цементного камня. При переходе к высокопрочным бетонам акценты смещаются. Гранитный щебень становится наиболее слабым звеном среди компонентов бетона.

Дело в том, что в процессе прохождения горной породы через дробилку и превращения в щебень ее прочность существенно снижается. Даже для лучшей марки гранитного щебня 1400 собственная прочность щебня на сжатие обычно не превышает 70 МПа.  Для обычного бетона этого вполне достаточно,
а для высокопрочного уже мало.

Поэтому в конце 90-х годов прошлого века наметилась тенденция к разработке высокопрочных мелкозернистых бетонов и фибробетонов. Природный песок, как правило, имеет такую же прочность, как исходная горная порода. Фибровое (дисперсное) армирование позволяет несколько (на десятки процентов) увеличить прочность мелкозернистого бетона на сжатие и весьма существенно (в несколько раз) увеличить его прочность на растяжение, изгиб, скалывание и срез. В таблице  приведены физико-механические характеристики нескольких разработанных и сертифицированных нами составов [2].

Составы подразделены на 3 ти-
па: «Б» – бетоносил, представляющий собой модифицированный мелкозернистый бетон; «Фбб»– фибробетоносил с базальтовой фиброй; «Фбс» – фибробетоносил со стальной фиброй. Согласно Санитарно-эпидемиологическому заключению Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека смеси допущены к применению во всех областях строительства,
в том числе системах питьевого водоснабжения [3].

Три из этих составов уже применялись в промышленных объемах при строительстве транспортных терминалов, в наземном строительстве и в метрополитене.

В частности, из ФБС-1000, для двух портовых терминалов в Усть-Луге было изготовлено несколько тысяч полушпал, выдерживающих нагрузку в 35 т (для сравнения, на железных дорогах нагрузка на колесо обычно не превышает 12 т).
В отличие от ранее применявшихся шпал эти изделия вообще не имеют не только предварительно напряженного, но даже обычного стержневого армирования. На рисунке 1 показана конструкция крепления полушпалы, а на рисунке 2 – один из участков действующих путей угольного терминала, проложенных по нашим полушпалам.

В Москве, при строительстве высотных зданий и подземных сооружений, пошли по другому пути. При почти максимальном расходе цемента (550 кг/м3) и модифицирующей добавки (110 кг/м3) они резко снизили расход щебня. Коэффици-ент раздвижки зерен щебня составил почти 1,7 [4]. Таким образом, получился бетон, в котором работает,
в основном, растворная часть, а щебень играет роль «изюма».

На рисунке 3 приведена фотография  коммуникационного коллектора из прессованного бетона класса В60, который построен в Москве под улицей Большая Дмитровка.
В данном конкретном случае, когда бетон после вибрирования подвер-гался прессованию, это оправдано, так как в противном случае началось бы каркасирование щебня, приводящее к его дроблению, но
в других случаях (например, при виб-
роуплотнении) может привести
к расслаиванию бетонной смеси.

В процессе разработки состава высокопрочного бетона можно идти по московскому пути,  суще- венно увеличив раздвижку зерен
в бетонной смеси, а можно просто заменить щебень на более прочный.

На территории России залегает большое количество горных пород, имеющих прочность, существенно превышающую прочность гранита. Это базальты, диабазы, габбро, диориты и т. п. Во многих регионах нашей страны (например, Архан-гельская область, Чукотка) эти породы представлены достаточно широко, а граниты практически отсутствуют. В эти регионы гранитный щебень завозят, и обходится он там весьма недешево.

Единственным недостатком этих пород, в качестве сырья для производства щебня, является их высокая плотность (29003000 кг/м3), приводящая к возрастанию плотности тяжелого бетона свыше 2500 кг/м3. Для обычного наземного строительства это серьезный недостаток, так как увеличивается нагрузка на основание. Но для подземного строительства, это недостатком не является.  Более того, для подземных сооружений увеличение массы конструктивных элементов на 5–8% является абсолютно не принципиальным, особенно при двукратном увеличении их прочности.

Наши эксперименты с габбро-диабазовым щебнем, представленным на Санкт-Петербургском рынке строительных материалов, показали, что даже при плотности бетона, не превышающей 2500 кг/м3, и подвижности смеси П4 (почти литая), среднюю прочность бетона на сжатие можно легко увеличить до 100 МПа, что соответствует классу В75.

Стоимость кубометра бетона (по сравнению с равнопрочными московскими составами) уменьшается примерно на 500 рублей.

При снятии ограничения по плотности бетона в 2500 кг/м3
и использовании полифракционной смеси высокопрочного щебня прочность бетона может быть увеличена в еще большей степени. Подчеркиваю, что речь идет о практически водонепроницаемом бетоне, долговечность которого измеряется не десятками лет, а столетиями.

Современная гидроизоляция выполняется на основе битумных или полимерных связующих. Для специалистов не является секретом, что битум в условиях обводнения не стоек к биоповреждениям,
а пластики со временем подвержены старению, заключающемуся в окислении и деструкции полимерных цепочек. Поэтому реальная долговечность вторичной гидроизоляции не превышает 30
50 лет. Конструкциям из модифицированного высокопрочного бетона вторичная гидроизоляция не требуется, и срок их безремонтной  эксплуатации определяется долговечностью бетона. Ускоренные эксперименты по выщелачиванию гидроокиси кальция из модифицированного бетона, проведенные нами в Радиевом институте, показали, что реальная долговечность этого бетона, даже
в мягкой невской воде, составляет более 500 лет.

Модифицированная бетонная смесь обладает хорошей связностью и практически не расслаивается
в процессе транспортирования. Ее можно перекачивать по трубопроводам и укладывать в густоармированные конструкции.

Приводя перечень достоинств модифицированных бетонов, было бы неэтичным умолчать об их недостатках. Пуццоланическая реакция, приводящая к модификации свойств бетона, резко замедляется при уменьшении температуры бетона до величин, близких к 0 оС,
и вообще не идет при отрицательных температурах. В наземном строительстве это ограничивает область применения модифицированных бетонов в зимнее время массивными конструкциями (в которых положительная температура поддерживается экзотермическими процессами гидратации), либо вынуждает прибегать к специальным мероприятиям (метод термоса, электропрогрев), которые снижают экономичность строительства. В подземном строительстве (ниже глубины промерзания) в любое время года поддерживается положительная температура, и сезонные ограничения в использовании модифицированных бетонов отсутствуют.

Таким образом, уже сейчас,
в процессе разработки и проектирования новых подземных сооружений, можно закладывать в проект высокопрочные модифици-рованные бетоны классов В75
и выше. Это позволит снизить толщину конструктивных элементов, отказаться от использования вторичной гидроизоляции, существенно увеличить долговечность сооружений и период их безремонтной экс-плуатации.

 

 

 

 

Литература:

 

1. ТУ 5743–0490249533296. Модификатор бетона марки МБ-01. Технические условия.

2. ТУ 5745–002-75097879–2005. Смеси бетонные мелкозернистые, модифицированные добавкой МБ-01. Технические условия.

3. Санитарно-эпидемилогическое заключение № 78.01.574.П.006668.10.05. от 12.10.2005 г.

4. Каприелов С.С.,  Шейнфельд А.В.,
Киселева Ю.А. и др.  Опыт возведения уникальных конструкций из модифицированных бетонов на строительстве комплекса
«Федерация». Промышленное и гражданское строительство 2006 . № 8, С. 20–22.

 


Полная или частичная перепечатка материалов - только с письменного разрешения редакции!


«« назад